Definicja kwantu. Foton i jego energia

Mechanika klasyczna poprawnie opisuje ruch małych i dużych ciał poruszających się z prędkościami dużo mniejszymi od prędkości światła c. A co w przypadku elektronów i pojedynczych atomów? Czy mechanika klasyczna sprawdza się również w przypadku tak niezwykle małych obiektów? Okazuje się, że świat w skali nanometrowej (1 nm = 10^-9 m) rządzi się swoimi prawami i aby móc go poprawnie opisać musimy sięgnąć po odpowiednie narzędzia. Narzędzi tych dostarcza mechanika kwantowa nazywana również teorią kwantów.

Co to jest kwant?

Ale co właściwie oznacza słowo ‘kwant’ i jak mamy je rozumieć? Otóż niektóre wielkości fizyczne istnieją tylko w pewnych minimalnych, niepodzielnych porcjach albo jako całkowite wielokrotności tychże porcji. O takich wielkościach mówimy, że są skwantowane, a taką minimalną porcję, związaną z tymi wielkościami, nazywamy właśnie kwantem. Aby lepiej zrozumieć to zagadnienie posłużmy się prostym przykładem. Z całą pewnością wiesz, że monety i banknoty posiadają pewne nominały (wartości). Nominały pieniężne są całkowitą wielokrotnością pewnej najmniejszej wartości – w przypadku polskiej waluty tą najmniejszą wartością (porcją), czyli innymi słowy kwantem jest jeden grosz (1 gr = 0,01 zł). Wszystkie kwoty pieniężne większe od jednego grosza stanowią jego wielokrotność. Na przykład jeden złoty to sto groszy (1 zł = 100 gr), a dziesięć złotych to tysiąc groszy (10 zł = 1000 gr).

Zgodnie z powyższym każdą kwotę pieniężną możemy zapisać jako n ⋅ 1 gr albo jako n ⋅ 0,01 zł, gdzie n  jest dodatnią liczbą całkowitą (monety i banknoty nie występują w ujemnym oraz ułamkowym nominale – nie możemy dostać albo dać komuś -30 gr lub 30,5 gr).

Foton – kwant światła (promieniowania elektromagnetycznego)

Światło (promieniowanie elektromagnetyczne) w ujęciu mechaniki klasycznej przedstawiane jest jako fala elektromagnetyczna tj. fala stanowiąca kombinację powiązanych ze sobą wzajemnie pól elektrycznych i magnetycznych drgających z określoną częstotliwością. W 1905 roku Albert Einstein (1879 – 1955) zaskoczył środowisko naukowe wysuwając hipotezę, że światło jest skwantowane tj. składa się z minimalnych porcji (kwantów). Kwanty światła nazywamy fotonami. Zgodnie z ujęciem Einsteina światło należy więc traktować jako strumień fotonów drgających z częstotliwością ν (mała grecka litera ‘ni’). Energia E  pojedynczego fotonu związana jest z częstotliwością jego drgań poniższą zależnością:

$$E = h \hspace{.05cm} \nu$$

gdzie h  to stała Plancka równa 6,626 ⋅ 10^-34 J ⋅ s.

Powyższy wzór opisuje najmniejszą wartość energii, jaką może posiadać światło o częstotliwości ν. Podobnie jak w przykładzie z pieniędzmi, światło składające się z n  fotonów przenosi energię będącą całkowitą wielokrotnością energii pojedynczego fotonu równą:

$$E = n \hspace{.05cm} h \hspace{.05cm} \nu$$

gdzie n  to dodatnia liczba całkowita.

Obecny stan wiedzy i techniki pozwala na wytwarzanie oraz rejestrację impulsów światła składających się z pojedynczych fotonów. Według przewidywań mogłyby one być potencjalnie wykorzystane m.in. w szyfrografii kwantowej czy też w pamięciach kwantowych. Na uwagę zasługuje fakt, że swój udział w konstruowaniu układów emitujących pojedyncze fotony mają także naukowcy z Polski.